[JavaScript] Event Loop란 ?

자바스크립트는 단일 스레드 기반으로 비동기로 작동하나요 ?

• 네, 자바스크립트는 단일 스레드 기반의 언어로 한 순간 하나의 작업만을 처리할 수 있습니다.
• 네, 자바스크립트는 비동기로 동작하기 때문에 단일 스레드에도 불구하고 동시에 많은 작업을 수행합니다.

하지만 자바스크립트 언어 자체가 비동기 동작을 지원하는 것은 아닙니다.

비동기로 동작하는 핵심요소는 자바스크립트 언어가 아니라 브라우저가 가지고 있습니다.

브라우저는 Web APIs, Event Table, Callback Queue, Event Loop 등으로 구성되며 자바스크립트 코드가 실행될 때 브라우저와의 동작은 아래 그림으로 표현할 수 있습니다.

구성요소

• Heap: 메모리 할당이 발생하는 곳
• Call Stack: 실행된 코드의 환경을 저장하는 자료구조, 함수 호출시 Call Stack에 push됩니다.
• Web APIs: DOM, AJAX, setTimeout 등 브라우저가 제공하는 API
• Callback Queue, Event Loop, Event Table은 아래에서 설명하겠습니다.

setTimeout(function exec() {
  console.log('second');
}, 1000);

위 코드가 실행될 때 각 구성요소들이 어떤 역할을 하는지 보겠습니다.

• Web APIs: setTimeout이 Call Stack에 들어와 실행되면 Browser API인 timer를 호출합니다.

• Event Table: 특정 event(timeout, click, mouse move 등등)가 발생했을 때 어떤 callback 함수가 호출되어야 하는지를 알고 있는 자료구조입니다. 위 코드에서 호출된 timer가 종료되면 event가 발생하게 되는데 이때 exec callback 함수가 실행되어야 한다는 것을 Event Table이 알고 있습니다.

• Callback Queue: 이벤트 발생 시 실행해야 할 callback 함수가 Callback Queue에 추가됩니다.

• Event Loop: Event Loop의 역할은 간단합니다.
  1. Call Stack과 Callback Queue를 감시합니다.
  2. Call Stack이 비어있을 경우, Callback queue에서 함수를 꺼내 Call Stack에 추가합니다.

console.log('first');

setTimeout(function cb() {
  console.log('second');
}, 1000);	// 0ms 뒤 실행

console.log('third');

위 코드가 실행될 때 각 구성요소들이 어떻게 동작하는지 순서대로 보겠습니다.

1. console.log('first')가 Call Stack에 추가(push)됩니다.

2. console.log('first')가 실행되어 화면에 출력한 뒤, Call Stack에서 제거(pop)됩니다.

3. setTimeout(function cb() {...})이 Call Stack에 추가됩니다.

4. setTimeout 함수가 실행되면서 Browser가 제공하는 timer Web API를 호출합니다. 그 후 Call Stack에서 제거됩니다.

5. console.log('third')가 Call Stack에 추가됩니다.

6. console.log('third')가 실행되어 화면에 출력되고 Call Stack에서 제거됩니다.

7. setTimeout 함수에 전달한 0ms 시간이 지난뒤 Callback으로 전달한 cb 함수가 Callback Queue에 추가됩니다.

8. Event Loop는 Call Stack이 비어있는 것을 확인하고 Callback Queue를 살펴봅니다. cb를 발견한 Event Loop는 Call Stack에 cb를 추가합니다.

9. cb 함수가 실행되고 내부의 console.log('second')가 Call Stack에 추가됩니다.

10. console.log('second')가 화면에 출력되고 Call Stack에서 제거됩니다.

11. cb가 Call Stack에서 제거됩니다.

Event Loop를 설명할 때, Call Stack이 비어있을 경우, Callback queue에서 함수를 꺼내 Call Stack에 추가합니다.

Call Stack이 비어있을 경우, 이와 관련된 예제를 보겠습니다.

console.log('first');
setTimeout(
  function cb() {
   	console.log('second'); 
  }
, 0);

wait3Seconds();
console.log('third');

function wait3Seconds() {
	let start = Date.now(), now = start;
  	while (now - start < 3 * 1000) {
     	now = Date.now(); 
    }
}

위 코드의 핵심은 setTimeout과 wait3Seconds 함수입니다. setTimeout 함수에 delay 0을 주고 wait3Seconds에서 3초를 기다립니다. console.log 결과는 어떻게 될까요 ?

wait3Seconds 함수에 의해 3초 동안 console.log('third')는 실행되지 않습니다. 따라서 0ms 후에 실행된 console.log('second')가 먼저 출력되지 않을까요?

결과는 아래와 같습니다.

first
third
second

wait3Seconds 함수가 실행된 후 3초 동안 Call Stack 및 Event Loop 상태입니다.

setTimeout이 호출된 후 0ms 뒤에 callback으로 전달된 cb는 이미 Callback Queue안에 있었습니다. 그럼에도 불구하고 console.log('second')가 third보다 뒤에 출력되는 이유는 Call Stack에 wait3Seconds 함수가 있기 때문입니다.

Event Loop는 Call Stack이 비어있지 않기 때문에(wait3Seconds)Callback Queue를 체크하지 않습니다. wait3Seconds 함수 종료 후엔 console.log('third')가 Call Stack에 추가되어 먼저 출력됩니다.

위 예제를 통해 한 가지 확인할 수 있는 것은 "setTimeout의 delay 인자가 delay ms후에 실행되는 것을 보장하지 않는다"는 겁니다. 정확히는 delay ms 후에 Callback Queue에 들어가는 것을 보장합니다.

Event Loop를 포함해 Browser의 구성요소 역할을 이해했다면, 자바스크립트 언어 자체가 비동기 특성을 제공하는게 아니라 Browser의 구성 요소들이 제공하는 것을 이해할 수 있어야 합니다.

ES6 Job Queue

ES6/ES2015에서 소개된 Job Queue는 Callback Queue와 다른 Queue이며 Promise를 사용할 경우 Job Queue를 사용하게 됩니다. promise를 사용할 때 callback 함수 역할을 하는 .then을 사용하게 되며, 이런 thenable한 함수들은 Job Queue에 추가됩니다.

console.log('first');

setTimeout(function () {
  console.log('setTimeout - second');
}, 0);

var promise = new Promise(function(resolve, reject) {
  resolve();
});

promise.then(function(resolve) {
  console.log('promise - third');
})
.then(function(resolve) {
  console.log('promise - four');
});

console.log('five');

실행 결과

first
five
promise - third
promise - four
setTimeout - second

결과를 통해 아시겠지만 Job Queue의 우선순위가 Callback Queue보다 높습니다. 따라서 Event Loop는 Call Stack이 비어있을 경우, Job Queue에서 기다리는 모든 작업을 처리하고 Callback Queue로 이동하게 됩니다.